Институт физики и математики Вселенной Кавли (Kavli IPMU) является домом для многих междисциплинарных проектов, которые извлекают выгоду из синергии широкого спектра экспертных знаний, доступных в институте. Одним из таких проектов является изучение черных дыр, которые могли образоваться в ранней Вселенной, еще до рождения звезд и галактик.
Такие первичные черные дыры (PBHs) могли бы объяснить всю или часть темной материи, быть ответственными за некоторые из наблюдаемых сигналов гравитационных волн и сеять сверхмассивные черные дыры, найденные в центре нашей Галактики и других галактик. Они также могут играть определенную роль в синтезе тяжелых элементов, когда они сталкиваются с нейтронными звездами и разрушают их, высвобождая богатый нейтронами материал. В частности, существует захватывающая возможность того, что таинственная темная материя, которая составляет большую часть материи во Вселенной, состоит из первичных черных дыр. Нобелевская премия по физике за 2020 год была присуждена теоретику Роджеру Пенроузу и двум астрономам Рейнхарду Генцелю и Андреа Гезу за их открытия, подтвердившие существование черных дыр. Поскольку известно, что черные дыры существуют в природе, они являются очень привлекательным кандидатом для темной материи.
Недавний прогресс в фундаментальной теории, астрофизике и астрономических наблюдениях в поисках ПБС был достигнут международной группой физиков элементарных частиц, космологов и астрономов, в том числе членами Кавли ИПМУ Александром Кусенко, Мисао Сасаки, Сунао Сугиямой, Масахиро Такадой и Владимиром Тахистовым.
Чтобы узнать больше о первичных черных дырах, исследовательская группа изучила раннюю Вселенную в поисках подсказок. Ранняя Вселенная была настолько плотной, что любая положительная флуктуация плотности, превышающая 50%, создала бы черную дыру. Однако космологические возмущения, которые засеяли галактики, как известно, гораздо меньше. Тем не менее, ряд процессов в ранней Вселенной мог создать правильные условия для образования черных дыр.
Одна из интересных возможностей состоит в том, что первичные черные дыры могли образоваться из "младенческих Вселенных", созданных во время инфляции, периода быстрого расширения, который, как полагают, ответственен за зарождение структур, которые мы наблюдаем сегодня, таких как галактики и скопления галактик. Во время инфляции детские вселенные могут ответвляться от нашей Вселенной. Маленькая детская (или" дочерняя") Вселенная в конечном счете коллапсирует, но большое количество энергии, выделяющейся в малом объеме, приводит к образованию черной дыры.
Еще более странная судьба ожидает большую детскую вселенную. Если она больше некоторого критического размера, теория гравитации Эйнштейна позволяет младенческой Вселенной существовать в состоянии, которое кажется различным наблюдателю изнутри и снаружи. Внутренний наблюдатель видит ее как расширяющуюся Вселенную в то время как внешний наблюдатель (например, мы) видит ее как черную дыру. В любом случае, большая и малая вселенные-младенцы рассматриваются нами как первичные черные дыры, которые скрывают основную структуру множества вселенных за их "горизонтами событий"." Горизонт событий-это граница, ниже которой все, даже свет, оказывается в ловушке и не может вырваться из черной дыры.
В своей работе команда описала новый сценарий формирования PBH и показала, что черные дыры из сценария "мультивселенной" можно найти с помощью Гиперприметрической камеры (HSC) 8,2-метрового телескопа Subaru, гигантской цифровой камеры, управление которой Кавли ИПМУ сыграл решающую роль, вблизи 4200—метровой вершины горы Мауна—Кеа на Гавайях. Их работа является захватывающим продолжением поиска HSC PBH, который проводит Масахиро Такада, главный следователь IPMU Кавли, и его команда.
Почему ГСК был необходим в этом исследовании? HSC обладает уникальной способностью получать изображение всей галактики Андромеды каждые несколько минут. Если черная дыра проходит через линию прямой видимости к одной из звезд, гравитация черной дыры искривляет световые лучи и заставляет звезду казаться ярче, чем раньше, в течение короткого периода времени. Продолжительность свечения звезды говорит астрономам о массе черной дыры. С помощью наблюдений HSC можно одновременно наблюдать сто миллионов звезд, бросая широкую сеть для первичных черных дыр, которые могут пересекать одну из линий видимости.
Первые наблюдения HSC уже сообщили об очень интригующем событии-кандидате, совместимом с PBH из "мультивселенной", с массой черной дыры, сравнимой с массой Луны. Воодушевленная этим первым признаком и руководствуясь новым теоретическим пониманием, команда проводит новый раунд наблюдений, чтобы расширить поиск и обеспечить окончательную проверку того, могут ли ПБГ из сценария мультивселенной объяснить всю темную материю.
Ставьте 👍 лайк и подписывайтесь на канал.